淺談Windows C E的中斷處理及中斷流驅(qū)動(dòng)的應(yīng)用

引 言

近年來，隨著硬件復(fù)雜性、多樣性和應(yīng)用復(fù)雜性的增加，軟件開發(fā)工作量急劇增長(zhǎng)，傳統(tǒng)的開發(fā)模式已經(jīng)不能適應(yīng)系統(tǒng)z雜性的增長(zhǎng)。而嵌入式操作系統(tǒng)是嵌入式軟件的運(yùn)行平臺(tái)和開發(fā)平臺(tái)，它的引入極大地提高了軟件的開發(fā)效率，方便了軟件的維護(hù)。WindowsCE是微軟公司嵌入式、移動(dòng)計(jì)算平臺(tái)的基礎(chǔ)，它是一個(gè)開放的、可升級(jí)的32位嵌入式操作系統(tǒng)，是基于掌上型電腦類的電子設(shè)備操作系統(tǒng)，它是精簡(jiǎn)的Windows 95,Windows CE的圖形用戶界面相當(dāng)出色。Windows CE作業(yè)系統(tǒng)是Windows家族中最新的成員，專門設(shè)計(jì)給掌上型電腦（HPCs）所使用的電腦環(huán)境。這樣的作業(yè)系統(tǒng)可使完整的可攜式技術(shù)與現(xiàn)有的Windows桌面技術(shù)整合工作。 Windows CE 被設(shè)計(jì)成針對(duì)小型設(shè)備（它是典型的擁有有限內(nèi)存的無磁盤系統(tǒng)）的通用操作系統(tǒng)，Windows CE 可以通過設(shè)計(jì)一層位于內(nèi)核和硬件之間代碼來用設(shè)定硬件平臺(tái)，各種處理器都有豐富的外部中斷源，中斷源和操作系統(tǒng)之間通常采用中斷機(jī)制來控制數(shù)據(jù)的交互。硬件廠商沒有為一些外部中斷源提供Windows CE下的驅(qū)動(dòng)，所以有時(shí)驅(qū)動(dòng)成為項(xiàng)目開發(fā)關(guān)鍵的一環(huán)。

1 Windows CE中斷處理

1.1 中斷產(chǎn)生

在Windows CE中，系統(tǒng)的中斷分為兩種：軟中斷和硬中斷。軟中斷是一種信號(hào)機(jī)制,而不是由軟件產(chǎn)生的中斷信號(hào)。硬中斷通常是外部設(shè)備對(duì)CPU發(fā)出中斷信弓。一般來說，軟中斷是由操作系統(tǒng)內(nèi)核機(jī)制的事件產(chǎn)生的，例如定時(shí)器超叫，但是有的軟中斷由和硬件有關(guān)的中斷引起。例如，當(dāng)外部產(chǎn)生一個(gè)硬中斷時(shí)，會(huì)產(chǎn)生和硬件相關(guān)的一個(gè)軟中斷，軟中斷是利用硬件中斷的概念，用軟件方式進(jìn)行模擬，實(shí)現(xiàn)宏觀上的異步執(zhí)行效果。很多情況下，軟中斷和信號(hào)有些類似，同時(shí)，軟中斷又是和硬中斷相對(duì)應(yīng)的，硬中斷是外部設(shè)備對(duì)CPU的中斷,軟中斷通常是硬中斷服務(wù)程序?qū)?nèi)核的中斷,信號(hào)則是由內(nèi)核（或其他進(jìn)程）對(duì)某個(gè)進(jìn)程的中斷般來說，軟中斷是由內(nèi)核機(jī)制的觸發(fā)事件引起的（例如進(jìn)程運(yùn)行超時(shí)），但是不可忽視有大量的軟中斷也是由于和硬件有關(guān)的中斷引起的，例如當(dāng)打印機(jī)端口產(chǎn)生一個(gè)硬件中斷時(shí)，會(huì)通知和硬件相關(guān)的硬中斷，硬中斷就會(huì)產(chǎn)生一個(gè)軟中斷并送到操作系統(tǒng)內(nèi)核里，這樣內(nèi)核就會(huì)根據(jù)這個(gè)軟中斷喚醒睡眠在打印機(jī)任務(wù)隊(duì)列中的處理進(jìn)程。 這樣內(nèi)核就會(huì)在適當(dāng)?shù)臅r(shí)機(jī)處理這個(gè)軟中斷，喚醒睡眠在相應(yīng)任務(wù)隊(duì)列中的處理例程。

1.2 中斷處理模型

Windows CE提供了一個(gè)有效的中斷處理機(jī)制，它把對(duì)中斷的處理分為兩部分：中斷服務(wù)例程（ISR）和中斷服務(wù)線程（IST）。ISR通常要求短小精悍，效率要求很嚴(yán)格。它只決定該怎樣處理這個(gè)中斷，一般情況下不應(yīng)該做太多的工作。大部分工作依靠IST處理，IST和CST（commON spanning tree,公共生成樹）共同構(gòu)成整個(gè)交換機(jī)網(wǎng)絡(luò)的生成樹CIST（common and internal spanning tree,公共和內(nèi)部生成樹）。IST是CIST在MST域內(nèi)的片段，是一個(gè)特殊的多生成樹實(shí)例。根據(jù)IEEE802.1s規(guī)范的規(guī)定，MST實(shí)例能夠支持802.1Q和802.1s之間的互操作性。IST實(shí)例接收并且向CST發(fā)送BPDU.IST實(shí)例能夠?qū)⒄麄€(gè)MST區(qū)域表示為到達(dá)外部世界的CST虛擬網(wǎng)橋。如將數(shù)據(jù)移到緩存或處理用戶某些特殊要求的工作。Windows CE中斷處理模型如圖1所示。

1.3 中斷處理過程

Windows CE支持兩種ISR:靜態(tài)ISR和可安裝ISR.靜態(tài)ISR只能靜態(tài)地編譯進(jìn)內(nèi)核，運(yùn)行時(shí)不能改變。與IST通信時(shí)，它也只能是單向的，即由ISR到IST.靜態(tài)ISR支持嵌套中斷，并且使用內(nèi)核堆棧。可安裝ISR由內(nèi)核管理程序從動(dòng)態(tài)鏈接庫中加載。和靜態(tài)ISR不同，它和IST的通信是雙向的，多個(gè)ISR可以與同一個(gè)中斷請(qǐng)求相關(guān)聯(lián)，系統(tǒng)按照加載驅(qū)動(dòng)的順序依次調(diào)度。圖2為中斷處理過程。

對(duì)圖2的中斷處理過程作以下幾點(diǎn)解釋：

　?、佼?dāng)內(nèi)核的異常處理代碼接收到一個(gè)來自硬件的中斷時(shí)，內(nèi)核會(huì)偵測(cè)到一個(gè)異常情況發(fā)生，并會(huì)提交這個(gè)硬件中斷。

　?、趦?nèi)核的中斷支持處理器通知ISR去禁止該中斷的重復(fù)提交，直到相關(guān)的中斷處理全部完成后，才再度使能該中斷。在這個(gè)過程中，允許高優(yōu)先級(jí)中斷觸發(fā)。為使系統(tǒng)能及時(shí)響應(yīng)并處理發(fā)生的所有中斷，系統(tǒng)根據(jù)引起中斷事件的重要性和緊迫程度，硬件將中斷源分為若干個(gè)級(jí)別，稱作中斷優(yōu)先級(jí)。引入多級(jí)中斷是因?yàn)椋簽槭瓜到y(tǒng)能及時(shí)的響應(yīng)和處理所發(fā)生的緊迫中斷，同時(shí)又不至于發(fā)生中斷信號(hào)丟失，計(jì)算機(jī)發(fā)展早期在設(shè)計(jì)中斷系統(tǒng)硬件時(shí)根據(jù)各種中斷的輕重在線路上作出安排，從而使中斷響應(yīng)能有一個(gè)優(yōu)先次序。多級(jí)中斷的處理原則：當(dāng)多級(jí)中斷同時(shí)發(fā)生時(shí)，CPU按照由高到低的順序響應(yīng)。高級(jí)中斷可以打斷低級(jí)中斷處理程序的運(yùn)行，轉(zhuǎn)而執(zhí)行高級(jí)中斷處理程序。當(dāng)同級(jí)中斷同時(shí)到時(shí)，則按位響應(yīng)。

　?、郛惓Ｌ幚砥髡{(diào)用ISR來響應(yīng)中斷。

　?、軆?nèi)核接收ISR返回值，依據(jù)該返回值決定如何處理中斷。

　　⑤內(nèi)核觸發(fā)中斷支持管理器來喚醒中斷服務(wù)線程（IST）并激活該線程。

　?、蕻?dāng)中斷服務(wù)線程（IST）被喚醒后，它開始處理相應(yīng)的中斷。

　?、呷绻枰?，中斷服務(wù)線程調(diào)用各種I/0例程訪問硬件來完成工作。

　?、嘀袛嗵幚斫Y(jié)束后調(diào)用InterruptDone函數(shù)通知內(nèi)核。

　?、醿?nèi)核調(diào)用OEMInterruptDone完成整個(gè)中斷處理過程，0AL通知底層硬件使能所有中斷。

2 中斷流驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)

2.1 驅(qū)動(dòng)的概念

驅(qū)動(dòng)程序是一個(gè)軟件模塊，其功能就是對(duì)設(shè)備、協(xié)議甚至某些服務(wù)進(jìn)行管理。驅(qū)動(dòng)程序是直接和設(shè)備進(jìn)行通信的部分，設(shè)備可以是物理設(shè)備或邏輯設(shè)備。

流接口的驅(qū)動(dòng)是基本的設(shè)備驅(qū)動(dòng)類型，它實(shí)現(xiàn)一組固定的流接口函數(shù)。所有流接口驅(qū)動(dòng)程序使用相同的接口并調(diào)用同一個(gè)函數(shù)集--流接口函數(shù)，大部分WindowsCE設(shè)備驅(qū)動(dòng)都可用此模型來實(shí)現(xiàn)。流接口驅(qū)動(dòng)程序由設(shè)備管理程序（Device.exe）自動(dòng)加載、管理和卸載，也可以通過API函數(shù)手動(dòng)加載、管理和卸載。

2.2 設(shè)計(jì)方法

Windows CE提供了幾種基于等待隊(duì)列的進(jìn)程間通信手段，其中事件在驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)中經(jīng)常被用來引發(fā)某一個(gè)中斷處理。中斷是Windows CE驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵之一，驅(qū)動(dòng)程序需要實(shí)現(xiàn)特定設(shè)備的中斷響應(yīng)、中斷引發(fā)的數(shù)據(jù)傳送和處理?？梢园淹庠O(shè)中斷時(shí)所需處理的任務(wù)封裝到流接口函數(shù)中，應(yīng)用程序使用Windows CE操作系統(tǒng)的文件API函數(shù)與流接口進(jìn)行通信，從而達(dá)到應(yīng)用程序訪問驅(qū)動(dòng)程序和操作硬件的目的。
本文以KEYl按鍵連接到S3C2440外部中斷EINTl（GPFl）引腳的按鍵電路為例，給出中斷流接口驅(qū)動(dòng)程序的一般設(shè)計(jì)方法，電路原理圖如圖3所示。

流接口驅(qū)動(dòng)程序的入口點(diǎn)函數(shù)、調(diào)用方式以及每個(gè)函數(shù)實(shí)現(xiàn)的功能如表1所列Ⅲ。其中電源管理函數(shù)，即EIT-PowerDown和EIT_PowerUp是可選的，這里沒有調(diào)用。

2.3 編寫代碼

在三星公司BSP包驅(qū)動(dòng)程序的存放位置下新建一個(gè)目錄EINT,用文本編輯器建立5個(gè)文本文件，文件名分別為EINTl.c、EINTl.h、EINTl.def、sources、makefile.

從表1可以看出，驅(qū)動(dòng)程序大部分功能都是在EIT_Init（）函數(shù)中完成的，在EINTl.c文件中編寫EIT_Init（）函數(shù)，如下所示。

EIT_Init（）函數(shù)中創(chuàng)建了外部中斷EINTl中斷服務(wù)線程gEINTIntrThread具體代碼如下所示。該函數(shù)首先創(chuàng)建外部中斷事件gWaitEvent（用于ISR通知IST外部中斷EINTl中斷觸發(fā)），然后調(diào)用內(nèi)核函數(shù)InterruptInitialize（）與gWaitEvent關(guān)聯(lián)起來，并使能該中斷。

其他幾個(gè)流接口函數(shù)編程簡(jiǎn)單，這里不作詳細(xì)敘述。參考驅(qū)動(dòng)目錄下其他驅(qū)動(dòng)完成sources、makefile和EINT.def文件的編寫，當(dāng)EINT目錄下的5個(gè)文件都編寫好后，在Platform Build 5.O編譯后，用Windows CE附帶的dumpbin工具（在Build菜單下）輸入命令：dlampbin/exports EINTl.dll,輸出結(jié)果如圖4所示，導(dǎo)出了表1所列的流接口函數(shù)。

結(jié) 語

Windows CE采用中斷方式處理外部設(shè)備的隨機(jī)輸入，提高了CPU的運(yùn)行效率。本文用一個(gè)實(shí)例對(duì)中斷流驅(qū)動(dòng)程序的開發(fā)進(jìn)行了介紹，只需在此驅(qū)動(dòng)程序的基礎(chǔ)上稍作修改就可完成其他中斷的驅(qū)動(dòng)程序開發(fā)。驅(qū)動(dòng)程序編譯成功后，通過進(jìn)一步修改BSP的FILES目錄下的platform.bib和platform.reg文件，可將驅(qū)動(dòng)加入到操作系統(tǒng)中。